Фундаментальные физические постоянные

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные — постоянные, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи[1]. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.

Слово «постоянная» в физике употребляется в двояком смысле:

  • численное значение некоторой величины вообще не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем,
  • изменение численного значения некоторой величины несущественно для рассматриваемой задачи.

Например, в небесной механике гелиоцентрическая постоянная считается постоянной, хотя она уменьшается с уменьшением массы Солнца, однако это изменение несущественно для космических полётов. Также в физике высоких энергий постоянная тонкой структуры, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, растёт с ростом переданного импульса (на малых расстояниях), однако её изменение несущественно для широкого круга обычных явлений, например, для спектроскопии.

Физические постоянные делятся на две основные группы — размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории. Среди размерных физических постоянных следует выделять константы, которые не образуют между собой безразмерных комбинаций, их максимальное число равно числу основных единиц измерения — это и есть собственно фундаментальные физические постоянные (скорость света, постоянная Планка и др.). Все остальные размерные физические постоянные сводятся к комбинациям безразмерных постоянных и фундаментальных размерных постоянных. С точки зрения фундаментальных констант, эволюция физической картины мира — это переход от физики без фундаментальных констант (классическая физика) к физике с фундаментальными константами (современная физика). Классическая физика при этом сохраняет своё значение как предельный случай современной физики, когда характерные параметры исследуемых явлений далеки от фундаментальных постоянных.

Скорость света появилась ещё в классической физике в XVII в., но тогда она не играла фундаментальной роли. Фундаментальный статус скорость света приобрела после создания электродинамики Дж. К. Максвеллом и специальной теории относительности А. Эйнштейном (1905). После создания квантовой механики (1926) фундаментальный статус приобрела постоянная Планка h, введенная М. Планком в 1899 г. как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k, элементарный заряд e (или постоянную тонкой структуры α) и космологическую константу Λ. Фундаментальные физические постоянные являются естественными масштабами физических величин, переход к ним в качестве единиц измерения лежит в основе построения естественной (планковской) системы единиц. К фундаментальным постоянным в силу исторической традиции также относят и некоторые другие физические постоянные, связанные с конкретными телами (например, массы элементарных частиц), однако эти постоянные должны, согласно современным представлениям, каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии), так называемого вакуумного среднего поля Хиггса.

Международно принятый набор значений фундаментальных физических констант и коэффициентов для их перевода регулярно публикуется[2] Рабочей группой CODATA по фундаментальным константам.

Фундаментальные физические постоянные[править | править вики-текст]

Основной источник: [2]
Величина Символ Значение Прим.
скорость света в вакууме \ c 299 792 458 м·с−1
= 2,99792458·108 м·с−1
точно
гравитационная постоянная \ G 6,674 08(31)·10−11 м3·кг−1·с−2 a
постоянная Планка (элементарный квант действия) \ h 6,626 070 040(81)·10−34 Дж·с a
постоянная Дирака (приведённая постоянная Планка) \hbar = h/2\pi 1,054 571 800(13)·10−34 Дж·с a
элементарный заряд \ e 1,602 176 6208(98)·10−19 Кл
= 4,803 204 673(29)·10−10 абсол. электростат. ед.
a
постоянная Больцмана \ k 1,380 648 52(79)·10−23 Дж·К−1 a

Планковские величины (размерные комбинации постоянных c, G, h, k)[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
планковская масса m_p = (\hbar c / G)^{1/2} 2,176 470(51)·10−8 кг[3] a
планковская длина l_p = (\hbar G / c^3)^{1/2} 1,616 229(38)·10−35 м[4][5] a
планковское время t_p = (\hbar G /c^5)^{1/2} 5,391 16(13)·10−44 с[6] a
планковская температура T_p = \frac{1}{k} (\hbar c^5 / G)^{1/2} 1,416 808(33) ·1032 K[7] a

Постоянные, связывающие разные системы единиц, и Переводные множители[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
постоянная тонкой структуры \alpha = e^2 /4 \pi \varepsilon_0 \hbar c (система СИ) 7,297 352 5664(17)·10−3 a
\alpha^{-1} 137,035 999 139(31) a
электрическая постоянная \varepsilon_0 = 1/(\mu_0 c^2) 8,854 187 817 620… ·10−12 Ф·м−1 точно
атомная единица массы \ m_u = 1 а. е. м. 1,660 539 040(20)·10−27 кг
= (6,022 140 857(74)·1023)−1 г,
или г·(а.е.м.)−1[8]
a
1 а.е.м. 1,492 418 062(18)·10−10 Дж
= 931,494 0954(57)·106 Эв
= 931,494 0954(57) МэВ[9]
постоянная Авогадро \ L, N_A 6,022 140 857(74)·1023 моль−1[10] a
1 электронвольт эВ 1,602 176 6208(98)·10−19 Дж
= 1,602 176 6208(98)·10−12 эрг
1 калория 1 кал 4,1868 Дж
литр·атмосфера 1 л·атм 101,325 Дж
2,30259 RT[11] 5,706 кДж·моль−1 (при 298 К)
1 кДж·моль−1 83,593 см−1[12]

Электромагнитные постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
магнитная постоянная[13] \mu_0 = 1/(\varepsilon_0 c^2) 4 \pi \times 10^{-7} Гн/м = 1,25663706… ·10-6 Гн·м−1 = 1,25663706… ·10-6 Н·А−2 (через основные единицы СИ: кг·м·с-2·А-2) точно
волновое сопротивление вакуума[14] Z_{0} = \mu_0 c = \frac{1}{\varepsilon_0 c} 119.9169832 \; \pi ~ \Omega точно, или \approx 376.730\ 313\ 461\ 77\ldots ~ \Omega. точно
электрическая постоянная \varepsilon_0 = 1/(\mu_0 c^2) 8,854 187 817 620… ·10−12 Ф·м−1 (через основные единицы СИ: кг−1·м−3·с4·А2) точно
постоянная Кулона k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} 8,987 551 787… × ·109 Ф−1·м (через основные единицы: кг·м3·с−4·А−2) точно

Некоторые другие физические постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
Массы элементарных частиц:
масса электрона
\ m_e 9,109 383 56(11)·10−31 кг (абсол.)
= 0,0005485799090(16) а.е.м. (относит.)
a
масса протона \ m_p 1,672 621 898(21)·10−27 кг
= 1,007276466879(91) а.е.м.
a
масса нейтрона \ m_n 1,674 927 471(21)·10−27 кг
= 1,008 664 915 88(49) а.е.м.
a
М протон плюс электрон (абсолютная масса атома водорода 1H) \ m_{p+e} = 1,673 532 836(57)·10−27 кг
= 1,007 825(04719) а.е.м. (относит.)
магнитный момент электрона \mu_e −928,476 4620(57)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнитный момент протона \mu_p 1,410 606 7873(97)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнетон Бора \mu_B = e\hbar / 2m_e 927,400 9994(57)·10−26 Дж·Тл−1[15] a
ядерный магнетон \mu_N 5,050 783 699(31)·10−27 Дж·Тл−1 a
g-фактор свободного электрона g_e=2 \mu_e/\mu_B 2,002 319 304 361 82(52) a
гиромагнитное отношение протона \gamma_p = 2\mu_p/\hbar 2,675 221 900(18)·108 с−1·Тл−1 a
постоянная Фарадея \ F = N_A e 96 485,332 89(59) Кл·моль−1 a
универсальная газовая постоянная \ R = k N_A 8,314 4598(48) Дж·К−1·моль−1
= 0,082057 л·атм·К−1·моль−1
a
молярный объём идеального газа (при 273,15 К, 101,325 кПа) \ V_m 22,413 962(13)·10−3 м³·моль−1 a
стандартное атмосферное давление (н.у.) атм 101 325 Па точно
боровский радиус a_0 = \alpha/(4 \pi R_\infin) 0,529 177 210 67(12)·10−10 м a
энергия Хартри E_h = 2 R_\infin h c 4,359 744 650(54)·10−18 Дж a
постоянная Ридберга R_\infin = \alpha^2 m_e c / 2h 10 973 731,568 508(65) м−1 a
первая радиационная постоянная c_1 = 2\pi h c^2 3,741 771 790(46)·10−16 Вт·м² a
вторая радиационная постоянная c_2=hc/k 1,438 777 36(83)·10−2 м·К a
постоянная Стефана-Больцмана \sigma = (\pi^2/60) k^4/\hbar^3 c^2 5,670 367(13)·10−8 Вт·м−2·К−4 a
постоянная Вина b = c_2/4,965114231... 2,897 7729(17)·10−3м·К а
стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли (усреднённое) g_n 9,806 65 м·с−2 точно
Температура тройной точки воды T_0 273,16 K точно

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фундаментальные физические константы // Физическая энциклопедия, т. 5. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, с. 381—383.
  2. 1 2 CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  3. Planck mass. physics.nist.gov. Проверено 28 июня 2015. Архивировано из первоисточника 25 августа 2013.
  4. NIST, «Planck length»  (англ.), NIST’s published CODATA constants
  5. Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  6. Planck time. physics.nist.gov. Проверено 28 июня 2015. Архивировано из первоисточника 25 августа 2013.
  7. Planck temperature. physics.nist.gov. Проверено 28 июня 2015. Архивировано из первоисточника 25 августа 2013.
  8. Читается: грамм(ов) на 1 атомную единицу массы
  9. из соотношения E = mc2
  10. Avogadro constant — CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  11. из отношения, определяющего зависимость свободной энергии от концентрации (парциального давления): G = G^\circ + RT ~ \mathrm{ln} \left ( \frac{p}{\displaystyle{p^\circ}} \right )
    2,30259 — модуль перехода (логарифмы)
  12. из соотношения E = hv = hc\bar{v}, где \bar{v} выражено в обратных сантиметрах см−1
  13. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0%7Csearch_for=Vacuum+permeability CODATA Value: Vacuum permeability
  14. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?z0%7Csearch_for=characteristic+impedance+of+vacuum CODATA Value: Сharacteristic impedance of vacuum
  15. Bohr magneton. physics.nist.gov. Проверено 17 января 2015. Архивировано из первоисточника 25 августа 2013.

Ссылки[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]